Title: Diapositive 1
1Troisième partie L'eau dans les roches et dans
les dépôts meubles
La répartition et l'écoulement de l'eau
souterraine
2Origine des eaux souterraines
- Les eaux souterraines proviennent essentiellement
de l'infiltration dans un terrain des eaux de
latmosphère et de lhydrosphère
précipitations, eau des lacs, des océans et des
cours deau. - Les magmas sont la seule source deau neuve ou
juvénile. La fusion partielle des roches du
manteau ou de la croûte libère leau incorporée
aux minéraux. - La vitesse dinfiltration varie de 1 mètre par an
dans la craie à quelques mètres par heure dans un
karst (les conduits de dissolution dans un massif
calcaire).
Eau souterraine qui sort dune falaise de grès
(Gaspésie)
3Un aquifère eau-porteur
Adaptation dune image de Ressources naturelles
Canada, Géopanorama du Canada
http//geoscape.nrcan.gc.ca/
- Un aquifère est une formation rocheuse poreuse et
perméable capable demmagasiner et de fournir une
quantité appréciable deau souterraine. Cest un
contenant. - La partie dun aquifère où les pores et les
fractures sont totalement occupées par leau
forme la zone saturée de laquifère. Dans la zone
non saturée les pores et les fractures
contiennent de lair et de leau. - Leau de la zone saturée dun aquifère, eau
capable de sécouler et quon peut capter, forme
une nappe deau.
4La porosité
- La porosité désigne létat dune roche qui
possède des ouvertures (des vides). Cest dans ce
sens quon parle de porosité primaire, celle due
aux pores qui se forment au moment de la
naissance de la roche, et de porosité secondaire,
celle due aux fractures qui apparaissent dans la
roche au cours de sa vie. - La porosité désigne aussi une série de paramètres
n qui mesurent linfluence de ces ouvertures
sur leau que peut contenir une roche. Dans tous
les cas - Nous naborderons pas le problème de savoir
comment on mesure en laboratoire les divers
paramètres n.
5- Le n le plus simple est obtenu en utilisant le
volume de tous les vides de la roche. Cest la
porosité totale. - La porosité totale nest que de quelques dans
une roche cristalline saine, comme un granite non
fracturé. Elle peut monter à plus de 50 dans un
dépôt meuble dargile. - La porosité totale dun dépôt de sable et de
gravier se situe entre 25 et 40 . Sa valeur
dépend de la forme des particules, de la
granulométrie et du tassement.
- Notamment, une granulométrie échelonnée (étalée)
et un bon mélange des particules donne des
porosités plus faibles quune granulométrie
uniforme (serrée).
6Ce massif rocheux a acquis au fil du temps une
forte porosité secondaire (Cabo Espichel,
Portugal).
7Question
- Quel avantage tire-t-on dans le cas dun béton de
ciment à utiliser des granulats dont la
granulométrie est échelonnée ?
Réponse Une granulométrie échelonnée laisse
moins de vides et exige une plus petite quantité
de pâte de ciment. Comme le ciment est beaucoup
plus cher que les agrégats, on économise beaucoup
dargent. Un excès de ciment donne aussi un
béton dont la surface se fendille excessivement
et qui se dégrade plus rapidement.
8Une nappe libre ou captive
- Une nappe est libre si elle se trouve dans un
aquifère qui a une zone non saturée et que sa
surface peut monter et descendre librement en
fonction des entrées et des sorties deau. - Une nappe libre superficielle, quon peut donc
exploiter avec un puits simple, est dite
phréatique (du grec puits ). - Une nappe est captive si elle se trouve dans un
aquifère entièrement saturé recouvert partout, à
lexception de son aire dalimentation, par une
formation de faible perméabilité.
9Une nappe perchée
- Imaginez un grand aquifère qui possède une zone
non saturée. Une formation imperméable peut créer
un second aquifère dans cette zone. La nappe
libre qui occupe ce second aquifère (de temps à
autre) est une nappe perchée.
10La frange capillaire
- La surface dune nappe captive est bien définie,
la nappe se terminant au contact de la couverture
de faible perméabilité (du plafond du contenant). - La surface dune nappe libre est moins nette
parce que leau monte plus haut que la nappe par
capillarité (le nom vient du fait quon a dabord
étudié cet effet dans des tubes fins comme des
cheveux). - La transition de la zone saturée à la zone non
saturée se fait donc sur une certaine épaisseur,
la frange capillaire. -
Frange dun tube de carton trempant dans leau
Zone saturée
11- En pratique, on peut trouver la surface libre de
la nappe en creusant un trou jusquà la nappe,
cest-à-dire en enlevant les pores et les
fissures où leau monte par capillarité. Le
niveau de leau dans le trou nous indique le
sommet de la nappe. - Leau de la frange a un comportement très
différent de celle de la nappe parce quelle est
en quelque sorte suspendue à la roche. Notamment,
elle ne peut pas sécouler comme leau dune
nappe ou être captée par un puits.
Aquifère
Zone non saturée
frange
Surface libre
Zone saturée
nappe
12Infiltration des précipitations
- Leau de pluie ou leau de fonte de la neige se
répartit en eau de ruissellement qui participe à
lécoulement de surface et en eau dinfiltration
qui pénètre dans les pores et les fractures du
terrain. - Dans les premières dizaines de centimètres du
terrain, cette eau dinfiltration est retournée
en tout ou en partie à latmosphère par
évaporation et par transpiration des plantes. En
France, lévapo-transpiration correspond en
moyenne aux 3/5 des précipitations.
Image tirée de Leau souterraine, Les cahiers de
lAgence de lEau Artois-Picardie.
13- Leau dinfiltration qui franchit la zone
dévapotranspiration rencontre un second obstacle
à sa descente dans le terrain. Elle colle aux
particules dhumus et dargile (et à divers
autres minéraux) par adsorption elle se fait
piéger dans les petits espaces vides par
capillarité. Cest le phénomène de rétention dont
nous avons déjà parlé. - Quand linfiltration amène une quantité deau qui
dépasse le volume deau de rétention, la force
dattraction de la Terre peut alors attirer leau
non retenue en profondeur. Cette eau mobile qui
sinfiltre par gravité est appelée eau
gravitaire.
14(No Transcript)
15Question
- Lété, après une période de sécheresse, une
petite pluie narrive pas en général à alimenter
la nappe deau dun terrain comme elle le fait
habituellement. Pourquoi ?
Réponse Leau de rétention ne peut pas
ségoutter, mais elle peut sévaporer. Lair sec
qui circule dans le terrain durant la sécheresse
diminue la quantité deau de rétention qui se
trouve dans le terrain. La première petite pluie
doit refaire la réserve deau de rétention avant
que de leau gravitaire puisse alimenter la nappe
deau.
16La porosité efficace ne
- Leau gravitaire est leau mobile dun aquifère,
celle qui sort par les sources et les puits. On
peut lextraire dun échantillon initialement
saturé par simple égouttage (figure ci-contre),
cest-à-dire en laissant agir lattraction de la
Terre. - La porosité efficace ne dune roche nous dit
combien elle peut contenir deau gravitaire - La porosité efficace dun dépôt dargile ayant
une porosité totale de 50 nest possiblement
que de quelques parce que leau est retenue par
les très fines particules. La rétention étant
moins importante, la porosité efficace dun dépôt
de sable ou de gravier est plus proche de sa
porosité totale.
volume deau gravitaire
ne x 100
volume de la roche
17Lécoulement de leau souterraine
- Leau souterraine se déplace à cause de
lattraction de la Terre et elle sécoule
toujours de façon à perdre de la hauteur. - Comme le montre la figure, il existe deux types
de différence de hauteur qui font sécouler leau
dun réservoir A vers un réservoir B (tant que
les niveaux deau sont différents). La différence
de hauteur deau crée une différence de
pression entre les 2 bouts du tuyau rouge.
Différence de hauteur H de leau
Même hauteur deau
A
A
B
Différence de hauteur z du fond
Même hauteur du fond
B
18La pression
- La pression est la force par m2 que leau exerce
sur les parois dun réservoir comme celui de
droite. - Cette force résulte du fait quun morceau deau
doit supporter le poids des morceaux deau situés
au-dessus de lui dans le réservoir et celui dune
colonne dair montant jusquau sommet de
latmosphère. - Puisque leau résiste à lécrasement, comme les
ressorts utilisés pour la représenter sur la
figure, la charge verticale quelle supporte
lamène à pousser sur les parois du réservoir. - À la surface de leau, la pression résulte du
seul poids de lair, puis elle augmente avec la
profondeur.
Colonne dair
pression atmosphérique
morceau deau
pression croissante
morceau deau
morceau deau
morceau deau
19- Lexemple ci-dessous devrait vous convaincre que,
pour un réservoir ouvert sur latmosphère
(surface libre), la pression ne dépend que de la
profondeur et pas du tout de la forme du
réservoir.
air
air
Surface libre
pression atmosphérique
La pression ne dépend que de la profondeur H
depuis la surface libre
équivalent à
20La pression dans une nappe
- La complexité du réservoir nayant pas
dimportance, la discussion précédente sapplique
à une nappe deau qui occupe un réseau de
fractures et de pores dans un terrain. Si leau
est stagnante (immobile) comme dans la
discussion. - Elle sapplique à une nappe libre malgré sa
frange capillaire. En effet, leau de la frange
ne pèse pas sur leau de la nappe. - Elle sapplique aussi à une nappe captive
puisquelle a nécessairement en quelque part une
aire dalimentation ouverte sur latmosphère.
Aire dalimentation
aquifère
surface libre pression atmosphérique
H
Nappe stagnante
La pression dépasse la pression atmosphérique et
ne dépend que de H
21- Si leau de la nappe est en mouvement, cela ne
change rien à la surface libre. Comme celle-ci
est en contact avec latmosphère (par le réseau
de fractures et de pores du terrain), la pression
reste la pression atmosphérique. - Le mouvement diminue cependant la pression pour
un point P de la nappe situé sous la surface
libre. On peut mesurer cette pression ainsi on
enfonce un tube ouvert aux deux bouts dans le
terrain jusquau point P on laisse leau de la
nappe monter dans le tube et se stabiliser
leau du tube étant stagnante, la pression est
fixée par la profondeur H du point P depuis la
surface de leau dans le tube. Ce tube est un
piézomètre ( pression-mesure).
222
P2
1
P1
Principe du piézomètre. La pression dans leau en
mouvement, aux points P, est fixée par la
profondeur H de leau dans chaque piézomètre.
Leau du tube agit comme un bouchon, son poids
équilibrant la poussée vers le haut créée par la
pression qui existe à lextrémité inférieure du
tube.
23Question
- Pour faire des mesures précises le tube dun
piézomètre doit avoir un diamètre qui dépasse 1
cm. Quel est la source derreur si le tube est
plus fin ?
Réponse Avec un tube fin la force capillaire
fait grimper leau dans le tube plus haut que la
hauteur nécessaire pour créer la pression quon
cherche à mesurer. Plus le tube est fin et plus
lerreur est grande.
24La charge hydraulique h
- La charge hydraulique h en un point P dune nappe
combine les deux hauteurs évoquées précédemment.
Leau de la nappe sécoule dun point P1 vers un
point P2 seulement si elle perd ainsi de la
charge hydraulique. - h z H où z est laltitude du point P mesurée
depuis une référence quelconque et H est la
profondeur de leau dans un piézomètre enfoncé
jusquau point P. Si on préfère, h est laltitude
de la surface de leau dans le piézomètre. - Dans une nappe stagnante, la surface libre est
horizontale et leau dans un piézomètre se
stabilise à cette hauteur. La figure montre que
cela donne la même charge hydraulique partout.
Cela est normal puisque leau ne bouge pas.
H2
surface libre
contenant rempli de sable
H1
h z1H1 z2H2
z2
z1
référence (z0)
25- Puisque la pression est partout atmosphérique à
la surface dune nappe libre (H 0), cette
surface doit pencher dans le sens de lécoulement
pour que z (et donc h) diminue. - Dans le cas dune nappe captive, cest la surface
de leau dans une série de piézomètres qui doit
pencher dans le sens de lécoulement.
nappe libre
nappe captive
h3
h1z1 h2z2
h2
h1
référence (z0)
26Question
- On remarque sur une image utilisée plus tôt que
la nappe libre est rabattue (enfoncée) autour
dun puits qui en tire activement de leau.
Pourquoi cet enfoncement est-il nécessaire ?
Réponse Le puits étant actif, leau sécoule
vers lui (flèches blanches). Or, leau ne
sécoule que si cela lui fait perdre de la charge
hydraulique. Comme leau de surface ne peut pas
perdre de profondeur (H0), elle doit perdre de
laltitude z en direction du puits.
27La surface piézométrique
- Nous venons de voir que leau dune nappe
sécoule dans la direction où sa surface libre
réelle ou équivalente (dans des piézomètres)
penche. - On parle de surface piézométrique. Pour une nappe
libre, cest simplement la surface de leau de la
nappe. Pour une nappe captive, cest la surface
de leau dans une série de piézomètres enfoncés
jusquà la surface de la nappe. - Leau de la partie captive dune nappe est située
en profondeur (par rapport à laire
dalimentation) et sa pression dépasse toujours
la pression atmosphérique. Elle va donc monter
dans un piézomètre. La surface piézométrique de
la partie captive dune nappe se trouve donc
toujours plus haut que le plafond sur lequel bute
leau.
28Dans cet exemple, on a une nappe captive où leau
stagne. La surface libre dans laire
dalimentation est horizontale et la pression
dans leau est fixée par la profondeur sous cette
surface. En suivant le plafond de la partie
captive, chaque diminution daltitude z est
exactement compensée par une augmentation de
profondeur H. Cest ainsi que la surface
piézométrique reste partout horizontale (pas
découlement) et au-dessus du plafond.
aire dalimentation
plafond
29Dans cet exemple, leau de laquifère se déplace
de droite à gauche. La surface piézométrique doit
donc monter progressivement vers la droite. Elle
suit dabord la surface libre de la nappe. On
pourrait trouver sa position en creusant des
trous et en observant le niveau des mares deau.
Le plafond de la partie captive ayant une
altitude constante, cest par une augmentation
progressive de la pression vers la droite que la
charge hydraulique poursuit sa montée et que la
surface piézométrique passe au-dessus du plafond.
plafond
surface libre
30Une nappe artésienne
- On appelle artésienne (du nom de la région
dArtois en France) une nappe captive dont la
surface piézométrique passe au-dessus du niveau
du sol en certains endroits. - Leau jaillit toute seule dun puits creusé à
lun de ces endroits puisquelle devrait monter
jusquà la surface piézométrique pour réussir à
équilibrer la pression qui la pousse vers le
haut. On a un puits sans pompage, un puits
artésien.
puits artésien